1.3.5. Программное обеспечение.

Удобство программирования контроллеров (в более широком смысле - конфигурирования), является очень важной характеристикой. С появлением контроллеров каждый производитель начал предлагать свои решения по их программированию. В результате к началу 90-х годов сложилась ситуация, когда на рынке программного обеспечения для программирования контроллеров существовало большое количество языков программирования, а стандарты, их объединяющие и регламентирующие, отсутствовали. Все это негативным образом отражалось на стоимостных характеристиках разрабатываемых систем управления (повышенные затраты на подготовку программистов, на создание программ и т. п.).

В 1992 году Международная Электротехническая Комиссия (МЭК, IEC - International Electrotechnical Commission,) взяла под контроль процессы, связанные с развитием этого типа прикладного ПО.

Стандартом МЭК 1131-3 определяется пять языков программирования контроллеров: три графических (LD, FBD, SFC) и два текстовых (ST, IL).

LD (Ladder Diagram) - графический язык диаграмм релейной логики. Язык LD применяется для описания логических выражений различного уровня сложности.

FBD (Function Block Diagram) - графический язык функциональных блоковых диаграмм. Язык FBD применяется для построения комплексных процедур, состоящих из различных функциональных библиотечных блоков - арифметических, тригонометрических, регуляторов, мультиплексоров и т.д.).

SFC (Sequential Function Chart) - графический язык последовательных функциональных схем. Язык SFC предназначен для использования на этапе проектирования ПО и позволяет описать "скелет" программы - логику ее работы на уровне последовательных шагов и условных переходов.

ST (Structured Text) - язык структурированного текста. Это язык высокого уровня, по мнемонике похож на Pascal и применяется для разработки процедур обработки данных.

IL (Instruction List) - язык инструкций. Это язык низкого уровня класса ассемблера и применяется для программирования эффективных, оптимизированных процедур.

Сейчас уже можно сказать, что подавляющее большинство контроллеров и систем управления обслуживается программными продуктами, реализующими стандарт МЭК 1131-3.

Широкое применение в России нашел пакет ISaGRAF французской компании CJ International.

Основные возможности пакета:

• Поддержка всех пяти языков стандарта МЭК 1131-3 плюс реализация языка Flow Chart как средства описания диаграмм состояний. При этом ISaGRAF позволяет смешивать программы и процедуры, написанные на разных языках, а также вставлять кодовые последовательности из одного языка в коды, написанные на другом языке.

• Наличие многофункционального отладчика, позволяющего во время

работы прикладной задачи просматривать состояние программного

кода, переменных, программ и многое другое.

• Поддержка различных протоколов промышленных сетей.

• Реализация опций, обеспечивающих открытость системы для доступа к внутренним структурам данных прикладной ISaGRAF-задачи, а также возможность разработки драйверов для модулей ввода/вывода, разработанных самим пользователем, и возможность переноса ISaGRAF-ядра на любую аппаратно-программную платформу.

• Набор драйверов для работы с контроллерами различных фирм-производителей: PEP Modular Computers, Motorola Computer Group и др.

• Наличие дополнительных интерактивных редакторов для описания переменных, констант и конфигураций ввода/вывода.

• Встроенные средства контроля за внесением изменений в программный код ISaGRAF-приложения и печати отчетов по разработанному проекту с большой степенью детализации, включая печать таблиц перекрестных ссылок для программ и отдельных переменных.

• Полное документирование этапов разработки.

Вместе с тем, ведущие фирмы-производители контроллеров и систем управления предлагают свои специализированные пакеты программирования контроллеров.

Программное обеспечение станций операторов/диспетчеров.

SCADA-пакеты позволяют без применения высокоуровневых языков программирования (или с минимальным их применением) создавать программное обеспечение персональных компьютеров (рабочих станций, пультов операторов/диспетчеров), предоставляющее оператору широкий набор функций для мониторинга и управления процессом.

На первом этапе (80-е годы) каждый производитель микропроцессорных систем управления разрабатывал свою собственную SCADA-программу. Такие программы могли взаимодействовать только с узким кругом контроллеров, и по всем параметрам были закрытыми (отсутствие набора драйверов для работы с устройствами различных производителей и средств их создания, отсутствие стандартных механизмов взаимодействия с другими программными продуктами и т. д.).

В 90-е годы сначала зарубежные, а затем и отечественные фирмы начали разрабатывать открытые SCADA-программы, которые уже можно было использовать для широкого класса микропроцессорных контроллеров.

Универсальные SCADA-программы ведущих фирм, разрабатывающих исключительно программный продукт для систем автоматизации, стали настолько высокоуровневыми, что выдерживать конкуренцию с ними производителям всего комплекса программно-аппаратных средств было уже не под силу. Это привело к тому, что число фирм, разрабатывающих для своих контроллеров оригинальные SCADA-программы, стало уменьшается. Но количество фирм, специализирующихся на выпуске открытых SCADA-программ, продолжает расти.

Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA в системах управления (HMI - Humain Machine Interface/человеко-машинный интерфейс-ЧМИ) и реализован практически во всех пакетах. Это:

• автоматизированное проектирование системы, дающее возможность

создания ПО системы автоматизации без реального программирования

(Development);

• исполнение прикладных программ (Run Time);

• сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;

• обработка первичной информации;

• регистрация алармов и исторических данных;

• представление текущих и накопленных (архивных) данных в виде

графиков (тренды);

• отображение параметров технологического процесса и состояния оборудования с помощью мнемосхем, таблиц, графиков и т.п.;

• поддержка стандартных технологий и протоколов обмена данными;

• дистанционное управление объектами;

• формирование отчетов по созданным на этапе проектирования шаблонам.

Базовый функциональный профиль систем SCADA/HMI сформировался еще во времена первых управляющих вычислительных машин. Со временем функциональные возможности SCADA/HMI расширялись (появление цветных дисплеев, средств анимации, голосовой сигнализации и т. п.).

С появлением концепции открытых систем программное обеспечение SCADA/HMI для операторских станций становится самостоятельным продуктом, свободно взаимодействующим с программно-аппаратными средствами разных производителей.

8. Состав полевого оборудования в АСУ ТП. Передаточные функции и принципы работы первичных преобразователей давления, расхода, уровня, температуры.

Нижний (полевой) уровень АСУ ТП обеспечивает сбор данных о параметрах технологического процесса и состояния оборудования, реализует управляющие воздействия. Основными техническими средствами нижнего уровня являются датчики и исполнительные устройства, станции распределенного ввода/вывода, пускатели, концевые выключатели, преобразователи частоты.

Передаточная функция. В теории управления часто используют символическую операторную форму записи дифференциальных уравнений. При этом вводится понятие алгебраизированного оператора дифференцирования p = d/dt так, что, dy/dt = py, а pⁿ = dⁿ /dtⁿ. Это лишь другое сокращенное обозначение операции дифференцирования. Соответственно, операция интегрирования записывается как 1/p. В операторной форме исходное дифференциальное уравнение записывается как алгебраическое:

 a₀p⁽ⁿ⁾y+a₁p^(n-1)y+...+a_ny = (a₀p⁽ⁿ⁾+a₁p^(n-1)+...+ a_n)y = (b₀p^(m)+...+b_m-1p+b_m)u.

Не надо путать эту форму записи с операционным исчислением. Здесь используются непосредственно функции y(t), u(t) (оригиналы), а не их изображения Y(p), U(p), получаемые из оригиналов преобразованием Лапласа. При нулевых начальных условиях с точностью до обозначений записи действительно похожи, и некоторые правила операционного исчисления применимы к операторной форме записи уравнений динамики. Так, оператор р можно выносить за скобки и можно рассматривать в качестве сомножителя, но без права перестановки: py ≠ yp. Условно можно считать оператор р алгебраической величиной.

Уравнение динамики в операторной форме:

Дифференциальный оператор W(p) называют передаточной функцией. Она определяет зависимость отношения выходной величины звена к входной во времени: W(p) = y(t)/u(t), т.е. динамический коэффициент усиления. Передаточные функции в операторной форме также представляют собой сокращенную символическую запись дифференциальных уравнений. В установившемся режиме d/dt = 0, p = 0, и передаточная функция превращается в коэффициент передачи звена K = b_m /a_n.

Знаменатель передаточной функции D(p) = a₀pⁿ+a₁p^n-1+a₂p^{n -2}+...+a_n называют характеристическим полиномом. Его корни, при которых знаменатель D(p) обращается в ноль, а W(p) стремится к бесконечности, называются полюсами передаточной функцией.

Числитель K(p) = b₀p^m+b₁p^m-1+...+b_m называют операторным коэффициентом передачи. Его корни, при K(p) = 0 и W(p) = 0, называются нулями передаточной функции.

Звено системы с известной передаточной функцией называют динамическим звеном. Под динамическим звеном понимают устройство любого физического вида и конструктивного оформления, описываемое определенным дифференциальным уравнением. На схемах динамическое звено изображают прямоугольником, внутри которого записывается выражение передаточной функции. Для звена с двумя входами и одним выходом (рис. 2.4.3) должны быть записаны передаточные функции по каждому из входов. Передаточная функция является основной характеристикой звена, из которой можно получить все остальные характеристики. Она определяется только параметрами системы и не зависит от входных и выходных величин. Например, одним из динамических звеньев является интегратор. Его передаточная функция W_и(p) = 1/p. Схема системы, составленная из динамических звеньев, называется структурной.

Передаточная функция — один из способов математического описания динамической системы. Используется в основном в теории управления, связи, цифровой обработке сигналов. Представляет собой дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом линейной стационарной системы. Зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.

В теории управления передаточная функция непрерывной системы представляет собой отношение преобразования Лапласа выходного сигнала к преобразованию Лапласа входного сигнала при нулевых начальных условиях.

Линейные стационарные системы

Пусть  — входной сигнал линейной стационарной системы, а  — её выходной сигнал. Тогда передаточная функция такой системы записывается в виде:

,

где и  — преобразования Лапласа для сигналов и соответственно:

,

.

[править] Дискретная передаточная функция

Для дискретных и дискретно-непрерывных систем вводится понятие дискретной передаточной функции. Пусть  — входной дискретный сигнал такой системы, а  — её дискретный выходной сигнал, . Тогда передаточная функция такой системы записывается в виде:

,

где и  — z-преобразования для сигналов и соответственно:

,

.

Связь с другими динамическими характеристиками

• АФЧХ системы можно получить из передаточной функции с помощью формальной замены комплексной переменной на :

.

• Импульсная переходная функция является оригиналом (в смысле преобразования Лапласа) для передаточной функции.

Свойства передаточной функции

1. Для стационарных объектов с сосредоточенными параметрами передаточная функция — это дробно-рациональная функция комплексной переменной ( ):

.

2. Знаменатель передаточной функции — это характеристический полином системы. Полюсы передаточной функции — это корни соответствующего характеристического полинома.

3. В физически реализуемых системах порядок числителя передаточной функции не может превышать порядка её знаменателя .

4. Импульсная переходная функция представляет собой оригинал (преобразования Лапласа) для передаточной функции.

Измери́тельный преобразова́тель — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;

5.1.7 В состав полевого оборудования АСУТП входят:

5.1.7.1 Датчики аналоговых, дискретных и цифровых сигналов (включая нормирующие преобразователи и датчики положения/состояния ИУ) для функционирования подсистемы cбора и обработки входной информации, их кабельные и трубные разводки;

5.1.7.2 Специализированные микропроцессорные подсистемы, реализующие отдельные функции контроля и управления гидроэнергетическим или электротехническим оборудованием (например, ЭЧСР, ГРАМ, система температурного контроля генератора, РЗА. система противоаварийной автоматики, система коммерческого учета), объединенные с ПТК локальной сетью.

Полевое оборудование. При строительстве новых объектов необходимо использовать современные интеллектуальные приборы. Необходимо сокращать разнообразие типов измерительных приборов и оценивать трудозатраты на их обслуживание.

Рассмотрим рекомендации по измерительным приборам:

1. Измерение температур. В качестве преобразователей температуры рекомендуется использовать измерительные преобразователи с токовым выходом 4 - 20 мА, работающие в комплекте с платиновыми терморезисторами или термопарами. Предпочтение надо отдавать измерителям, сделанным в единой сборке с чувствительным элементом и установленным непосредственно на объекте. Исключения могут составлять только преобразователи, работающие в агрессивной среде. Измерительные преобразователи должны иметь искрозащищенный выход 4 - 20 мА.

2. Измерение расхода. Используется метод измерения расхода с использованием диафрагмы. Измерение уровня производится буйковыми датчиками, ультразвуковыми, датчиками давления и т.д. В нефтегазовой промышленности используются сигнализаторы уровня и содержания воды в нефти. Сигнализаторы взрывоопасной концентрации газов, датчики содержания кислорода в дымовых газах.

3. Регулирующие отсечные клапаны. Применяемые клапаны по своему назначению делятся на три группы:

а) регулирующие;

б) запорно-регулирующие в схемах блокировки;

в) отсечные, используемые для дистанционного управления в качестве запорных органов.

Рис.1 Пример структурной схемы распределенной АСУ ТП

9. Требования к воздуху КИП и состав схем пневмопитания.